Методы и алгоритмы синтеза и анализа конструкторских и технологических решений в системе автоматизированного проектирования инженерных конструкций и сооружений

Аннотация

Актуальность и востребованность темы диссертации. Проектирование инженерных конструкций высокого качества и надежности при одновременной экономии материалов и других финансовых и трудовых ресурсов, а также сокращение сроков проектирования невозможны без привлечения современных методов оптимизации и автоматизации проектирования на базе применения современной компьютерной техники. Разработка новых математических моделей, эффективных алгоритмов, пакетов прикладных программ и систем, предназначенных для решения тех или иных классов задач, является одним из центральных направлений развития современной науки. Рыночная стратегия развития общества в условиях конкуренции налагает жесткие ограничения, предъявляемые к срокам проектирования. В таких условиях использование систем автоматизированного проектирования (САПР) становится насущной необходимостью. Развитие народного хозяйства страны и возрастающая роль науки в этом секторе все острее ставят перед научно-техническими работниками проблемы повышения эффективности производства, экономии материалов, повышения качества конечной продукции, сокращения сроков проектирования и ввода объектов в строй. Перед наукой стоит задача обеспечения теоретической, методологической и прикладной базами усилий, направленных на успешное решение специалистами этих проблем. Сложность проблем требует применения обоснованных и практически подтвержденных математических моделей и методов, позволяющих обеспечить решение прикладных задач управления процессом строительного проектирования в рыночных условиях, в том числе с помощью использования технологий САПР и автоматизированных систем управления (АСУ). Практическая значимость проблемы заключается в использовании основных положений и рекомендаций исследования на практике, в производстве проектнотехнологической документации для решения задач, направленных на эффективность управления процессом проектирования, в том числе с использованием САПР и АСУ различного назначения. Комплексные меры, предпринимаемые Правительством Республики Узбекистан по развитию САПР, на основе Постановления Президента Республики Узбекистан за ПП-1730 от 21 марта 2012 года «О мерах по дальнейшему внедрению и развитию современных информационнокоммуникационных технологий», направлены на широкое распространение и внедрение программных продуктов, разработанных на основе современных информационных технологий. В этой связи создание комплекса программных средств для исследования и оптимизации инженерных конструкций представляет особую актуальность и, вместе с тем, является злободневной теоретической и прикладной проблемой, имеющей важное народно-хозяйственное значение. САПР в настоящее время являются одним из наиболее эффективных средств повышения производительности инженерного труда и научной деятельности, сокращения сроков и улучшения качества технических разработок. Современный подход к автоматизации проектирования не ограничивается использованием компьютера при проведении трудоемких расчетов, информационном поиске или изготовлении технической документации. Сегодня речь идет о создании так называемых интеллектуальных человеко-машинных систем, в рамках которых возможно выполнение всего цикла проектных работ, начиная от научных исследований и кончая изготовлением конструкторской и технологической документации, а в ряде случаев - макетов или опытных образцов. Востребованность диссертации характеризуется тем, что выполнение всего цикла проектных работ, начиная от научных исследований и кончая изготовлением конструкторской и технологической документации, и необходимость широкого внедрения методов и алгоритмов автоматизированного проектирования в производство, обусловливают необходимость и целесообразность автоматизации управления процессом проектирования оптимальных инженерных конструкций. Цель исследования состоит в разработке научно-методологических основ, математических моделей, алгоритмов, методов и практических подходов для реализации систем автоматизированного проектирования инженерных конструкций, интегрирующих этапы конструкторского и технологического проектирования на основе унифицированных принципов информационного обмена. Научная новизна диссертационного исследования заключается в следующем: разработаны математические модели и вычислительные алгоритмы решения оптимизационных задач автоматизации процесса проектирования оптимальных инженерных конструкций; разработаны теоретические предпосылки и сформулированы принципы построения систем автоматизированного проектирования для решения классов оптимизационных задач элементов инженерных конструкций; разработан класс эффективных алгоритмов случайного поиска как локального, так и глобального экстремума; разработаны принципы и методология построения проблемно-ориентированных пакетов прикладных программ (ППП) оптимального проектирования классов конструкций; решен ряд важных задач расчета и оптимизации инженерных конструкций и сооружений; при решении задачи динамики плоских пластин синтезирована нейронная сеть. Заключение Для дальнейшего повышения эффективности производства, экономии материалов, улучшения качества проектируемых объектов, сокращения сроков проектирования инженерных конструкций необходимо совершенствование существующих систем автоматизированного проектирования и создания комплекса алгоритмов, функционирование которых, в основном, базируется на использовании методов оптимизации, системного анализа и математического моделирования. Разработаны объектные структурно-атрибутивные модели, которые на эскизном уровне информационного представления включают в себя конструкторские и технологические аспекты инженерных конструкций, что позволяет формализовать описание задач технологического проектирования на уровне эскизных координат, и обеспечивает высокую степень автоматизации выполнения операций при переходе к исполнительным координатам. Обоснована концепция технологического сопутствия, моделирующая взаимосвязанное множество разнородной проектной информации, что позволяет реализовать интеграцию систем автоматизированного проектирования и систем управления проектными работами. Основные результаты диссертационной работы, посвященной решению одной из важных и актуальных проблем оптимального проектирования инженерных конструкций, состоят в следующем: 1. На основе системного подхода с учетом специфики оптимального проектирования инженерных конструкций сформулированы основные концептуальные подходы и положения к решению научных проблем реализации методов и алгоритмов анализа и синтеза конструкторских и технологических решений в САПР инженерных конструкций на основе единых унифицированных принципов информационного обмена. 2. Обосновано, что для эффективного решения широкого класса оптимизационных задач целесообразно использование оптимизирующих систем, включающих в себя совокупность поисковых алгоритмов. 3. Теоретические основы оптимизации инженерных конструкций базируются на оптимизации математических моделей по показателю-критерия эффективности в виде веса объекта исследования. Построение таких моделей потребовало проведения как теоретических, так и вычислительных экспериментов. Большой фактический материал по моделям и их алгоритмам, широко применяемым в проектном деле, позволил впервые в расчетной практике разработать наиболее надежные (адекватные) системы алгоритмов оптимизации инженерных конструкций. 4. Предложены алгоритмы локального и глобального поиска (ГП-3), которые позволяют решать многоэкстремальные задачи, и обеспечивают сокращение времени вычислительного процесса. На базе алгоритма ГП- 3 создана его модификация, способная решать задачи при наличии целочисленных переменных. 5. Предложена методика определения оптимальных последовательностей применения алгоритмов оптимизации, обладающих максимальной скоростью сходимости. Разработан метод параметрической идентификации моделей, а собственно задача идентификации сведена к экстремальной с последующим применением алгоритма ГП-3. 6. Предложена алгоритмическая система решения классов оптимизационных задач, основанная на работе алгоритмических банков (Б), каждый из которых имеет строго определенные функции. Алгоритмическая система работает в автоматическом режиме и предусматривает: унификацию постановок оптимизационных задач; контроль за правильностью постановки конкретной задачи; исследование и идентификацию моделей; выбор алгоритмов из условий допустимости решения поставленной задачи и их оптимальности; проведение параметрической идентификации с целью достижения требуемой скорости сходимости для класса задач данной предметной области: предложен метод оптимальной последовательности применения разработанных алгоритмов. 7. Представлены результаты расчета по оптимизации сооружений типа метрополитена. Существующие конструкции сводов односводчатых станций не являются рациональными в смысле расхода материалов. Указана возможность проектирования сводов постоянной кривизны с более рациональным использованием материала, чем у существующих станций. Обоснованы целесообразность применения при проектировании конструкций сводов методов математического программирования и компьютера, способных найти оптимальную, по выбранному критерию, конструкцию свода. 8. По предложенным рекомендациям к проектированию оптимальных инженерных конструкций по весовой оптимизации и их алгоритмизации создана алгоритмическая система, защищенная авторским свидетельством и внедренная в расчетную практику. 9. Разработан метод аппроксимации и алгоритм моделирования на нейронных сетях систем уравнений динамики пластин, свободно опертых или жестко закрепленных по краям, и результатами численных вычислительных экспериментов подтверждена лучшая сходимость итерационного процесса решения систем бигармонических уравнений колебания однородных пластин постоянной толщины со знаконеопределенной матрицей при использовании принципа полутрансформации Гаусса по сравнению с трансформацией исходной системы уравнений вибрации реальных конструкций. 10. Результаты исследований могут успешно применяться научно-исследовательскими институтами, опытно-конструкторскими бюро и проектными организациями, связанными с решением различных оптимизационных задач при проектировании и строительстве инженерных конструкций. Экономический эффект от внедрения результатов исследований складывается из следующих составляющих: из результатов вычислительного эксперимента определены, конструкции, обладая одинаковым запасом прочности, отличаются по весу почти в 20 раз, конструкций из оболочек переменной толщины позволяет в ряде случаев снизить вес конструкции на 14 % (для цилиндрических оболочек) и на 27 % (для конических оболочек) по сравнению с сооружениями из оболочек постоянной толщины. в результате оптимизации конструкций по весу, рассматриваемые конструкции одинаковым запасом прочности, значения их весов значительно отличались почти в 20 раз, для реализации конструкций из оболочек переменной толщины снизить вес конструкции на 14 % (для цилиндрических оболочек) и на 27 % (для конических оболочек) по сравнению с сооружениями из оболочек постоянной толщины, таким путем достигнуты в экономии материалов и трудовых ресурсов. Таким образом, на основе теоретического обобщения и практической реализации, изложенных в работе новых научных положений решена крупная проблема разработки методов и алгоритмов анализа и синтеза конструкторских и технологических решений в САПР инженерных конструкций и сооружений, а также в результате применения оптимизации инженерных конструкций и сооружений по весу, экономии материалов, повышения качества конечной продукции, сокращения сроков проектирования и ввода объектов в строй имеющей важное народнохозяйственное значение.